内嵌ARM核的FPGA芯片EPXA10及其在图像驱动和处理方面的应用

EPXA10片内集成了软件可编程锁相环路（PLL），为微控制器总线及SDRAM控制器提供了灵活精确的时钟基准。

3 EPXA10在图

本文所述的图像驱动和处理系统主要利用PPGA逻辑控制实现简单、对大量数据做简单处理速度快以及ARM软件编程灵活的特点，系统框图如图2所示。在芯片FPGA部分，构造了CMOS驱动模块，驱动CMOS图像传感器使之能够采集图像数据。然后图像数据经数据接收模块存入片外SDRAM中，并经串口传入PC机，要将图像数据在PC机中显示成图像，还需编写基于CDib类的图像显示程序；同时将图像数据经芯片ARM部分的图像处理算法（本系统采用Sobel算子）处理，处理后的图像数据才能经串口传给PC机进行显示。为了验证基于ARM的图像处理算法实现的正确性，还将这一算法在PC机中进行了实现，最后针对同一幅图像，将两种实现的结果进行了比较。

    3.1 图像的驱动

3.1.1 CMOS图像传感器的驱动

要使CMOS图像传感器的成像，必须设计正确的驱动时序，包括行同步、列同步、场同步及曝光时间设定等时序。利用FPGA逻辑编程简单的特点，用硬件描述语言Verilog HDL编程，可在FPGA中实现CMOS图像传感器的驱动时序，该驱动时序的仿真结果如图3所示。图中，ld_y为行选通信号；ld_x为列选通信号；cal为场选通信号；clk_adc为内部A/D转换器所需的时钟；addr为行列地址线；sys_reset为曝光时间设定信号；s和r为内部放大器选通信号。

3.1.2 图像的采集

CMOS图像传感器输出的信号为数字信号（即数字图像数据），所以图像的采集要通过FPGA中的数据接收模块将图像数据保存到片外SDRAM中。数据接收模块状态机如图4所示。标志Flag为1，开始采集数据。因为CMOS图像传感器在每个A/D转换时钟周期输出一个数据（如图3所示），接收模块也相应地设计成一个时钟接收周期接收一个数据（Burst状态），这样就发挥了FPGA对大量数据处理速度快的优势。

3.1.3 图像的显示

ARM将SDRAM中的图像数据经串口传给计算机，在计算机中用VC++语言编写串口协议和图像显示程序，将CMOS图像传感器采集到图像显示在屏幕上，以便于监测验证。

3.2 图像的处理

本系统采用的图像处理算法基于Sobel边缘检测算子。图像的边缘是由灰度不连续性所反映的，是的最基本信息。边缘检测算子检查每个像素的的领域并对灰度变化率进行量化，也包括方向的确定，大多数使用基于方向导数掩模求卷积的方法。就sobel算子而言，如图55所示，采用了两个3×3卷积核形成边缘算子模板，紧邻中心像素的像素有4个，和中心像素成斜对角的像素也有4个，距离中心素近的模板值的系数为2，成斜对角的比较远，所以其系数为1，该系数反映了这样一点：领域对当前像素的灰度梯度的影响程度越近影响越大，越远影响越小。图像中的每个点都用这两个核做卷积，一个核对垂直边缘响应最大，而另一个核对水平边缘响应最大，两个卷积的最大值作为该点的输出位，反映了当前位置灰度梯度（图像边缘）的主要方向和大小。运算结果反馈了一幅边缘幅度图像。

因为拍摄的图像边1024×1024，采用的Sobel算子为3×3模板，所以图像周边的一圈像素（第1行、第1024行、第1列、第1024列）保持原灰度值。在图像的第2行2列到1023行1023列的范围内，用图5所示的算子模板进行扫描计算，即当前像素和与当前像素相邻的8个像素，分别与模板中位置相应的8个系数相乘，累加这9个乘积结果，